Phần lưu trữ trong quá trình đốt cháy: Thiết kế, hiệu quả và bảo trì

Sau ba năm trì hoãn thiết bị luyện cốc, nhiệt độ đầu ra của khí thải của lò sưởi đã tăng từ 180 °C lên 246 °C. Đầu đốt đã được điều chỉnh và các ống bức xạ trông vẫn hoạt động tốt, tuy nhiên mức tiêu thụ nhiên liệu đã tăng gần 4%. Vấn đề được phát hiện ở nơi người vận hành thường nhìn cuối cùng: phần đối lưu. Các ống có vây được bao phủ bởi một lớp muối và tro cứng, đồng thời lớp lót bị hư hỏng phía sau bó khiến khí thải nóng hoàn toàn đi qua các ống.

Phần đối lưu thường cung cấp 25 đến 35 phần trăm tổng công suất của lò sưởi đốt. Khi hiệu suất hoạt động của nó suy giảm, hiệu quả giảm xuống, chi phí nhiên liệu tăng lên và bước xử lý tiếp theo trở nên cấp bách hơn. Bài viết này giải thích chức năng của phần đối lưu, nó được thiết kế như thế nào, tại sao nó kiểm soát hiệu suất của máy sưởi và những điều cần kiểm tra trước khi mua một gói mới.

Phần đối lưu làm gì trong lò sưởi đốt

Trong lò sưởi hình trụ thẳng đứng, phần đối lưu nằm ngay phía trên phần bức xạ. Trong lò sưởi kiểu cabin, nó nằm ở một đầu của hộp bức xạ. Cả hai cách bố trí đều truyền khí thải nóng qua một dãy ống nằm ngang và chất lỏng xử lý bên trong các ống đó sẽ hấp thụ nhiệt qua thành ống. Do khí thải đi vào phần đối lưu đã thấp hơn nhiều so với nhiệt độ ngọn lửa nên chế độ truyền nhiệt chủ yếu thay đổi từ bức xạ sang đối lưu cưỡng bức.

Các bề mặt mở rộng thường được sử dụng để bù cho hệ số truyền nhiệt phía khí thấp hơn. Bảng dưới đây so sánh các điều kiện làm việc ở hai phần của lò sưởi nhà máy lọc dầu điển hình.

So sánh các điều kiện vận hành điển hình trong các phần bức xạ và đối lưu của lò sưởi đốt nhà máy lọc dầu.
tham số	Phần rạng rỡ	Phần đối lưu
Nhiệt độ khí thải	950–1100 °C ở vùng ngọn lửa	Đầu vào 650–800 °C; Đầu ra 150–250 °C
Chế độ truyền nhiệt chiếm ưu thế	Bức xạ nhiệt	Đối lưu với một số bức xạ
Bề mặt ống điển hình	Ống trần, nhẵn	Có vây, có đinh hoặc để trần
Tỷ lệ tổng thuế	60–70 phần trăm	25–35 phần trăm
Rủi ro hoạt động chính	Quá nóng và leo	Sự bám bẩn và ăn mòn ở đầu nguội

Phần đối lưu thu hồi nhiệt như thế nào

Hệ số truyền nhiệt phía khí đối với ống trần ở phần đối lưu thấp, khoảng 15 đến 30 W/(m²·K), trong khi hệ số truyền nhiệt phía xử lý thường cao hơn nhiều lần, đặc biệt là khi chất lỏng đang sôi. Do đó, điện trở giới hạn hầu như luôn nằm ở phía khí thải của ống.

Các ống có vây và đinh tán giải quyết vấn đề này bằng cách nhân diện tích bên ngoài lên. Các vây có răng cưa với mật độ từ 4 đến 5 vây trên mỗi inch, hoặc khoảng 157 đến 197 vây trên một mét, làm tăng bề mặt bên ngoài lên gấp 5 đến 10 lần so với một ống trần có cùng đường kính. Biểu đồ bên dưới hiển thị biểu đồ nhiệt độ khí thải điển hình thông qua phần đối lưu ba giai đoạn.

Hình 1. Giảm nhiệt độ khí thải điển hình qua phần đối lưu ba giai đoạn.

Đường chuyền nóng nhất, gần phần bức xạ nhất, xử lý luồng quy trình cần nhiệt độ cao nhất. Bộ làm mát thu hồi nhiệt cho các dịch vụ có nhiệt độ thấp hơn như tạo hơi nước, quá nhiệt bằng hơi pha loãng và gia nhiệt sơ bộ thức ăn. Sự sắp xếp ngược dòng này giúp duy trì sự chênh lệch nhiệt độ hữu ích trong mỗi lần đi qua.

Thiết kế phần đối lưu: Giảm áp suất, vận tốc và vật liệu

API 560 cung cấp khung thiết kế được sử dụng cho hầu hết các lò sưởi đốt trong dịch vụ lọc dầu và hóa dầu. Phần đối lưu không thể được xác định kích thước một cách biệt lập: độ sâu bó, hình dạng vây và độ nháp cần thiết phải được giải quyết cùng nhau, bởi vì mỗi phần đều ảnh hưởng đến những phần khác.

Các kiểm tra quan trọng là giảm áp suất khí thải, tốc độ khí, nhiệt độ kim loại ống và vật liệu vây. Một lò sưởi thông thường giữ cho áp suất ở phần đối lưu giảm từ 3 đến 10 mbar, hoặc 30 đến 100 mm H₂O. Một bó sâu hơn sẽ thu hồi nhiều nhiệt hơn nhưng đòi hỏi nhiều công suất quạt ngăn xếp hoặc quạt gió cảm ứng hơn. Vận tốc khí ở tốc độ đốt thấp nhất phải ở trên khoảng 4,5 m/s để tránh tro lắng xuống và dưới 15 đến 20 m/s để tránh xói mòn và rung động do dòng chảy gây ra. Nhiệt độ kim loại ống ở đầu lạnh phải duy trì trên điểm sương của axit sunfuric khi có lưu huỳnh; nếu không thì các hàng phía dưới và vỏ sẽ bị ăn mòn nhanh chóng. Vật liệu cánh tản nhiệt tuân theo nhiệt độ khí cục bộ: cánh tản nhiệt bằng hợp kim ở đầu nóng, cánh tản nhiệt bằng thép cacbon ở đầu nguội và đôi khi là các ống trần nơi mà sự xói mòn hoặc khả năng làm sạch là rất quan trọng.

Danh sách kiểm tra kỹ thuật thực tế trông như thế này:

Xác nhận lưu lượng khối lượng khí thải, thành phần và hàm lượng lưu huỳnh.
Chọn cách bố trí và cao độ ống cho vận tốc mục tiêu và độ giảm áp suất.
Tính toán hiệu quả của vây và chọn loại vây, mật độ và vật liệu đi qua.
Kiểm tra nhiệt độ kim loại ống so với điểm sương axit và giới hạn oxy hóa.
Cung cấp các làn đường tiếp cận, cổng thổi bồ hóng và bảng kiểm tra có thể tháo rời.

Tại sao phần đối lưu lại kiểm soát hiệu suất của máy sưởi

Nguyên tắc chung trong thiết kế lò đốt là việc giảm nhiệt độ đầu ra của khí thải xuống 22°C sẽ tăng thêm khoảng một điểm phần trăm hiệu suất. Do đó, việc giảm nhiệt độ đầu ra từ 250 °C xuống 170 °C có giá trị khoảng 3,5%. Trên một lò sưởi 100 MW, tức là 3,5 MW nhiên liệu, một khoản tiết kiệm đáng kể sau một năm hoạt động liên tục.

Các bề mặt mở rộng có thể giúp nhiệt độ đầu ra thấp như vậy mà không cần vỏ bọc lớn, như biểu đồ bên dưới cho thấy.

Hình 2. Diện tích bên ngoài điển hình của ống OD 114 mm với bề mặt trần, có đinh và có răng cưa.

Các ống có vây tăng thêm diện tích bề mặt nhưng cũng kéo dài đường dẫn khí và tăng độ giảm áp suất. Việc lựa chọn giữa các ống trần, có đinh và có vây trong mỗi đường chuyền là một sự cân bằng kinh tế giữa diện tích bề mặt, lực kéo, khả năng tiếp cận làm sạch và khả năng chống ăn mòn.

Làm bẩn, làm sạch và ăn mòn đầu nguội

Sự tắc nghẽn là vấn đề vận hành dai dẳng nhất của phần đối lưu. Cặn đóng vai trò như một lớp cách nhiệt, do đó nhiệt độ đầu ra của khí thải tăng lên và quá trình này nhận được ít nhiệt hơn. Đồng thời, lớp cặn lắng làm giảm diện tích dòng chảy hở và tăng tổn thất do gió lùa. Trong trường hợp nghiêm trọng, lò sưởi không thể đạt được tốc độ đốt thiết kế.

Các nguyên nhân chính gây tắc nghẽn phần đối lưu được trình bày dưới đây. Chất lượng nhiên liệu, hiệu suất đầu đốt và chuyển tiếp quá trình đều góp phần và sự phân bổ khác nhau giữa các đơn vị.

Cặn muối/tro (35%)
Cặn than cốc/cacbon (30%)
Sản phẩm ăn mòn (25%)
Tiền gửi khác (10%)

Hình 3. Sự phân bố điển hình của các nguyên nhân gây tắc nghẽn ở các mặt cắt đối lưu.

Kiểm soát bám bẩn bắt đầu bằng việc điều chỉnh quá trình đốt cháy và quản lý nhiên liệu, nhưng vẫn cần phải vệ sinh thường xuyên. Bảng dưới đây tóm tắt các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong việc vận hành nhà máy.

Các phương pháp làm sạch phần đối lưu điển hình và ứng dụng của chúng.
Phương pháp làm sạch	Phù hợp nhất cho	Tần số điển hình
Thổi bồ hóng trực tuyến	Tro nhẹ hoặc cặn muối	Hàng tuần đến hàng tháng
Thổi bồ hóng bằng không khí áp suất cao	Muội từ nhiên liệu lỏng hoặc rắn	Chu kỳ hàng ngày hoặc liên tục
Phun thủy lực ngoại tuyến	Tiền gửi cứng và dày	Mỗi lần quay vòng
Làm sạch bằng hóa chất	Các chất cặn đặc biệt như muối hoặc than cốc	Khi cần thiết

Phần đối lưu trong các ứng dụng lọc và hóa dầu

Mỗi lò sưởi đốt trong nhà máy lọc dầu hoặc hóa dầu đều có bộ phận đối lưu, nhưng mỗi dịch vụ lại có một thiết kế khác nhau. Trong thiết bị chưng cất thô và chân không, phần đối lưu làm nóng dầu thô trước và đôi khi làm tăng hơi nước. Trong lò Cracking ethylene, nó thường chứa một cuộn dây làm nóng sơ bộ nguồn cấp hydrocarbon, các cuộn dây quá nhiệt bằng hơi pha loãng và một dàn hơi nước áp suất cao. Trong các thiết bị cải cách hydro và DRI, phần đối lưu xác định mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của thiết bị bằng cách thu hồi nhiệt để gia nhiệt sơ bộ hơi nước và thức ăn.

Đối với dịch vụ thiết bị thô, việc lựa chọn loại cánh tản nhiệt và quyết định đưa vào cuộn dây hơi chiếm ưu thế trong cuộc thảo luận kỹ thuật. Nhà cung cấp có kinh nghiệm trong việc đánh đổi này có thể giảm thiểu rủi ro dự án và cải thiện kết quả hoạt động.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Lò sưởi đốt để chưng cất khí quyển và chân không Bộ gia nhiệt này giải quyết sự cân bằng giữa loại cánh tản nhiệt và cuộn dây hơi trong dịch vụ thô, cung cấp hệ thống sưởi đa vùng đồng đều và hiệu suất nhiệt cao để hỗ trợ phân tách ADU/VDU ổn định đồng thời giảm rủi ro vận hành. Xem sản phẩm →

Lò sưởi hóa dầu tạo thêm một lớp phức tạp nữa vì một số cuộn dây phải có chung đường dẫn khí thải. Những nguyên tắc đằng sau lựa chọn lò sưởi và ứng dụng kỹ thuật trong ngành hóa dầu giải thích cách người vận hành cân bằng nhiệt độ cuộn dây, nhu cầu hơi nước và tính kinh tế của lò trong các dịch vụ này.

Lò nứt ethylene là ví dụ đòi hỏi khắt khe nhất. Các bộ phận đối lưu của chúng xử lý khí nứt, hơi pha loãng và cuộn dây tạo hơi trong một cách bố trí nhỏ gọn và việc lựa chọn hợp kim được thúc đẩy bởi nhiệt độ vận hành khắc nghiệt.

Lò nung ethylene để nhiệt phân Do nhu cầu hợp kim khắt khe trong các phần đối lưu ethylene, khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và thiết kế bức xạ/đối lưu được tối ưu hóa của lò này giúp duy trì tính nhất quán và năng suất vết nứt khi vận hành ở nhiệt độ cao liên tục. Xem sản phẩm →

Những điều cần xác minh khi mua phần đối lưu

Cho dù bạn đang thay thế một bó bị hỏng hay bổ sung công suất tạo hơi nước, các bước kiểm tra tương tự đều được áp dụng.

Xác nhận rằng bó mới phù hợp với lưu lượng khối khí thải của phần bức xạ hiện tại và lượng gió có sẵn.
Xem lại cơ sở mã thiết kế: API 560 cho bộ gia nhiệt, ASME B31.3 cho đường ống bên ống và thông số kỹ thuật tại địa điểm của khách hàng.
Đánh giá sơ đồ chất lượng mối hàn xung quanh mối nối vây với ống và các mối nối ống với đầu vì đây là những vị trí hư hỏng phổ biến nhất.
Kiểm tra hệ thống cách nhiệt và lớp lót để biết nhiệt độ dự kiến của khí vào, bao gồm cả khả năng chống xói mòn nơi khí đi vào bó.
Xác nhận năng lực của nhà sản xuất: trình độ quy trình hàn, kiểm tra thủy tĩnh, kiểm soát kích thước và kiểm tra của bên thứ ba.

Hầu hết các phần đối lưu được cung cấp dưới dạng mô-đun do xưởng sản xuất, bao gồm ống, đầu nối, lớp cách nhiệt và vỏ bọc. Cách tiếp cận này rút ngắn thời gian lắp dựng tại công trường và cải thiện chất lượng mối hàn vì công việc lắp ráp nặng được thực hiện trong điều kiện được kiểm soát. Khi mô-đun được nâng vào vị trí, các kết nối với phần bức xạ và ngăn xếp của thiết bị sưởi hiện có phải chịu được sự giãn nở nhiệt và vẫn kín khí.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Mô-đun phần đối lưu chế tạo tại xưởng Phần đối lưu mô-đun này được chế tạo để kiểm soát việc chế tạo tại xưởng và nâng hạ công trường dễ dàng, với các hợp kim bền và thiết kế có thể tùy chỉnh để phù hợp với sự giãn nở nhiệt và duy trì các kết nối kín khí trong quá trình lắp đặt. Xem sản phẩm →

Hậu cần cũng quan trọng không kém. Mô-đun phần đối lưu lớn là loại hàng hóa nặng, có chiều rộng quá lớn, do đó tuyến đường vận chuyển, phương pháp nâng và kế hoạch xử lý tại địa điểm cần được xem xét kỹ lưỡng như thiết kế nhiệt. Một nhà sản xuất có thể quản lý cả việc sản xuất và vận chuyển hạng nặng sẽ giảm nguy cơ chậm trễ tiến độ. Để đánh giá hoặc báo giá cho từng dự án cụ thể, bạn có thể liên hệ với nhóm kỹ thuật Tuopu với bảng dữ liệu máy sưởi của bạn.

Câu hỏi thường gặp về phần đối lưu

Tại sao ống tiết diện đối lưu lại có vây?

Các cánh tản nhiệt nhân diện tích truyền nhiệt bên ngoài lên gấp 5 đến 10 lần, bù đắp cho hệ số truyền nhiệt thấp ở phía khí thải. Nếu không có các cánh tản nhiệt, phần đối lưu sẽ cần phải lớn hơn nhiều lần để thu hồi cùng một lượng nhiệt.

Nhiệt độ khí thải bình thường ở đầu ra của phần đối lưu là bao nhiêu?

Để có một lò sưởi hiệu quả, được bảo trì tốt, nhiệt độ đầu ra thường là 150 đến 200 °C. Khi nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao, đầu ra được giữ ở trên điểm sương axit, thường ở khoảng 250 đến 300°C, hoặc đầu lạnh được làm bằng vật liệu chống ăn mòn.

Hiệu suất bị mất bao nhiêu khi phần đối lưu bị tắc nghẽn?

Sự tắc nghẽn làm tăng nhiệt độ đầu ra của khí thải. Bởi vì cứ tăng nhiệt độ 22°C sẽ làm giảm hiệu suất khoảng 1 phần trăm, mức tăng 50°C sẽ làm giảm hiệu suất khoảng 2,3%, điều này biểu hiện trực tiếp dưới dạng mức tiêu thụ nhiên liệu bổ sung.

Có thể thay thế phần đối lưu mà không cần chạm vào phần bức xạ không?

Đúng. Các lò sưởi đốt hiện tại thường nhận được một mô-đun phần đối lưu mới trong khi vẫn giữ lại hộp bức xạ, đầu đốt và ngăn xếp. Đây là một lộ trình cải tạo phổ biến, với điều kiện cấu trúc và nền móng còn đủ tuổi thọ còn lại và độ giảm áp của bó mới phù hợp với dự thảo có sẵn.